Mainzer naturwiss. Archiv 40 S Abb. Mainz 2002

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1 Mainzer naturwiss. Archiv 40 S Abb. Mainz 2002 Untersuchungen an Eiern der Rhithrogena semicolorata Untergruppe aus Rheinland-Pfalz (Insecta: Ephemeroptera: Heptageniidae) mittels Lichtmikroskopie Kurzfassung: Für die 3 aus Rheinland-Pfalz bekannten Arten der Rhithrogena semicolorata Untergruppe werden Differentialmerkmale an den Eistrukturen benannt und dargestellt. Diese ermöglichen bereits lichtmikroskopisch eine sichere taxonomische Ansprache der Arten R. semicolorata (CURTIS), R. picteti SOWA und R. puytoraci SOWA & DEGRANGE im Eistadium. Da das Imaginalstadium der Eintagsfliegen sprichwörtlich kurz ist, ist die Eireifung bereits im letzten Larvenstadium abgeschlossen. Entsprechend lassen sich über das Eistadium schlupfreife Larven, weibliche Subimagines und die Weibchen bestimmen. Flächenhafte Kartierungen der larval kaum sicher trennbaren Arten, aber auch Auswertungen von Emergenzmaterial sind mit dieser Methode ohne größeren Aufwand möglich Abstract Ootaxonomic investigations of three species of the Rhithrogena semicolorata subgroup from Rhineland-Palatinate (Insecta: Ephemeroptera: Heptageniidae) by light microscopy Characters of taxonomic significance are discussed and figured for 3 members of the Rhithrogena semicolorata subgroup known from Rhineland-Palatinate (SW-Germany). With the help of these ootaxonomic features separation of the species R. semicolorata (Curtis), R. picteti Sowa, and R. puytoraci Sowa & Degrange is possible by light microscopy. Because the imaginal life span of Ephemeroptera is rather short, egg-development is already finished in mature nymphs. In consequence not only females, but also female subimagoes and female nymphs are determinable by egg structure. In practice, whilst larval characters are not always sufficient to separate species, this method of determination allows faunistic studies in larger areas by the use of fully mature nymphs. In addition, the study of material from emergence traps that consists mainly of subimagoes becomes possible. Eggs of the three named species differ in the detail of the exochorion structure. In R. picteti it consists of large, rounded granulae that are more or less evenly spread over the egg surface, whilst in both other species they are more randomly scattered. In R. semicolorata these granulae are hook shaped and singular, while in R. puytoraci they are column shaped and often connected with a kind of membrane. Inhalt 1. Einleitung Problemstellung Methode Schwierigkeiten beim Auffinden der Oberflächenstrukturen Ergebnisse Eimorphologie Eitaxonomie Rhithrogena picteti SOWA Rhithrogena puytoraci SOWA & DEGRANGE Rhithrogena semicolorata (CURTIS 1834) Danksagung Schriftenverzeichnis

2 1. Einleitung Der Verbreitungsschwerpunkt der Gattung Rhithrogena liegt in und an den europäischen Hochgebirgen, die mutmaßlich auch die glazialen Überdauerungsgebiete darstellten. Die 20 bislang aus Deutschland bekannten Arten (HAYBACH MALZACHER 2002) sind überwiegend kaltstenotherm, rheo- und lithobiont und die Anzahl der Arten in dieser nur mäßig expansiven Gruppe nimmt in Deutschland sowohl von Süd- nach Nord, als auch mit abnehmender Höhenlage und Kontinentalität rasch ab. Entsprechend sind aus Rheinland-Pfalz neben den hier behandelten Arten R. picteti SOWA, R. puytoraci Sowa & DEGRANGE und R. semicolorata CURTIS nur noch R. beskidensis ALBA- TERCEDOR & SOWA und R. savoiensis ALBA- TERCEDOR & SOWA bekannt und aus zoogeographischen Erwägungen sind noch R. germanica EATON und R. hercynia LANDA zusätzlich zu erwarten. Von letztgenannten Arten existieren Nachweise in Hessen (HAYBACH & SCHMIDT 1997) und Luxemburg (nur R. hercynia DOLISY 2001; det. Haybach). 2. Problemstellung Die Arten der sog. Rhithrogena semicolorata Untergruppe (Einteilung n. TOMKA & RASCH, 1993) sind ein stetiges und häufiges Faunenelement sauberer Bäche und Flüßchen in Rheinland-Pfalz. So einfach jedoch die Gattung an sich in Form der Larven über die abgeflachte Form, den Femurfleck und die ventral zu einem Haftapparat gestalteten Kiemen erkennbar ist, so schwierig und auch für Spezialisten unbefriedigend bleibt häufig der Versuch der Artansprache. Die in der einschlägigen modernen Bestimmungsliteratur (z.b. SOWA 1971, SOLDÁN & LANDA 1999, BAUERNFEIND & HUMPESCH 2001) genannten Merkmale zur Bestimmung der Larven schwanken bei den Arten Rhithrogena picteti und R. puytoraci doch erheblich. Nach eigenen Erfahrungen zeigen weder die Färbungsmerkmale noch die Mikrodentikulation der Abdominaltergite der Larven immer befriedigende Ergebnisse. Zudem kommen in Rheinland-Pfalz R. picteti und R. puytoraci nicht selten im gleichen Bach vor, so daß hier Merkmale, die sich häufig auch auf physikochemische Parameter der Larvalgewässer & zurückführen lassen. (z.b. Färbung), nicht zur Differenzierung herangezogen werden können. Doch nicht nur die Larven sind problematisch. Weibliche Stadien gelten nach äußeren morphologischen Merkmalen generell als unbestimmbar. Männchen sind über die Gestalt des Penis unterscheidbar. Da sich die Penisloben jedoch bei der Begattung und auch im Todeskampf bei der Abtötung häufig verdrehen, sind meist mehrere Exemplare notwendig um zu einer sicheren Bestimmung zu gelangen. Eine flächenhafte kleinräumige Erfassung der Arten läßt sich über Fänge schwärmender Männchen allein kaum erreichen, da diese sowohl tageszeitlich als auch jahreszeitlich nur sehr begrenzt schwärmen, und das auch nur bei günstigen Witterungsbedingungen. Subimagines beider Geschlechter sind nur in wenigen Ausnahmefällen über äußere Merkmale, z.b. Titillatorenform oder Flügelfärbung bestimmbar. Subimagines fallen jedoch bei Emergenzuntersuchungen an Bächen mit selbsttötenden Fallen häufig in großen Mengen an. Einen Ausweg aus der Bestimmungsmisere bietet die Exochorionstruktur der Eier, die, anders als bei imaginal langlebigeren Insektenordnungen, bereits im letzten Larvenstadium völlig ausgereift sind! Sie zeigen somit von wenigen Ausnahmen z.b. in der Gattung Baetis abgesehen, die gleichen Oberflächenstrukturen, wie Subimagines und Weibchen. Wegen der Bestimmbarkeit subimaginaler Eier kann nun auch Emergenzmaterial zeitsparend bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Präparationsaufwand bei außerordentlich guter Verfügbarkeit an Material, da selbst kleine Weibchen mehrere Hundert bestimmbarer Eier tragen. Im internationalen Schrifttum spielt das Eistadium entsprechend eine wesentliche Rolle und auch die hier behandelten Arten sind bereits bei SOWA (1971), SOWA & DEGRANGE (1987) und KLONOWSKA-OLEJNIK (1997) beschrieben. Letztgenannte Autorin hat eine sorgfältige Studie mittels Raster Elektronenmikroskopie für zahlreiche europäische Arten vorgelegt. Eine vergleichende lichtmikroskopische Betrachtung ist 206

3 Eitaxonomische Untersuchungen an Arten der Rhithrogena semicolorata Untergruppe aus... jedoch derzeit nicht verfügbar und die Schwierigkeit der Umsetzung des rastermikroskopischen Bildes in das selbst am Lichtmikroskop erblickte ist einer der Hauptgründe für die nach wie vor geringe Anzahl von deutschen Bearbeitern, die das Eistadium in die routinemäßige Bestimmungspraxis miteinbeziehen. 3. Methode Das Material stammt durchgehend aus Rheinland- Pfalz. Eier wurden dem mittleren Abdominalbereich von schlupfreifen Larven (schwarze Flügelscheiden!), weibliche Subimagines und Weibchen entnommen. Die Artzugehörigkeit des verwendeten Materials wurde durch Aufzuchten im Aquarium, Entnahme von Nymphen aus reinen Populationen, Auswertung von Subimagines aus Emergenzfallen, an denen nur 1 Art auftrat, sowie durch Abgleich mit Beschreibungen aus der Literatur (s.o.) getätigt. Als Mikroskop für die routinemäßige Bestimmung im Hellfeld wurde ein Kursmikroskop der Firma Leitz (ohne Typenbezeichnung) mit bis zu 1000-facher Vergrößerung, zur Zeichnung eine Zeicheneinrichtung benutzt. Eine Phasenkontrasteinrichtung ist außerordentlich hilfreich, da sie die Oberflächenstrukturen plastischer erscheinen läßt. Sie ist aber nicht zwingend erforderlich. Für die Betrachtung sollten zunächst mit Vergrößerung x, für die Details dann mit 400 x, 630 x oder bis 1000 x gearbeitet werden. Obwohl die Zeichnungen nach Vergrößerungen von 1000 x angefertigt wurden, ist mit Erfahrung eine mittlere, d.h. 400 x Vergrößerung ausreichend. Die Bestimmung kann dann direkt in einem Tropfen Wasser oder Alkohol erfolgen, Dauerpräparate wurden in Polyvinyl-Lactophenol (HEINZE 1952) angefertigt. Die enthaltene Milchsäure hellt das ganze Ei rasch auf, so daß die Strukturen der Oberfläche nach 1-3 Tagen besser sichtbar sind, als im Frischpräparat. Für eine dauerhafte Konservierung erscheint mir dieses Medium wegen fortschreitender Aufhellungstendenzen jedoch nicht optimal geeignet. 3.1 Schwierigkeiten beim Auffinden der Oberflächenstrukturen Der Dotter füllt das gesamte Ei vollständig aus. Er besteht im wesentlichen aus Proteinen, Lipiden und Glykogen (DETTNER & PETERS 1999) und bietet im lichtoptischen Bild ein unregelmäßiges Bild von mehr oder weniger stark differenzierten Klumpen. Diese überdecken immer auf den ersten Blick die wesentlich feineren Strukturen des Chorions. Zunächst sollte man deshalb versuchen, im äquatorialen Bereich des Eies ein KCT oder aber eine Mikropyle scharf einzustellen, um sicher zu gehen, sich in der richtigen optischen Ebene zu befinden. Eine weitere Schwierigkeit kann auftreten, wenn Follikelepithelzellen der Ovariolen sich nicht vollständig vom Ei gelöst haben. Dann wird die Chorionstruktur von diesem Nährgewebe vollständig maskiert und eine Bestimmung ist nicht möglich. Sind keine unmaskierten Eier vorhanden, so kann versucht werden, das Gewebe mit leichten Bewegungen des Deckglases zu entfernen. Ist dies nicht erfolgreich kann das Gewebe durch etwa 1- tägige Mazeration mit einer 10 % KOH Lauge (Vorsicht stark ätzend!) entfernt werden. Vor einer Präparation sollten dann die Eier zunächst in Wasser oder 70 % Alkohol gewaschen werden. 4 Ergebnisse 4.1 Eimorphologie Die untersuchten, im Umriss etwa ovalen und im Querschnitt runden Eier der Gattung Rhithrogena sind typisch für die Familie der Heptageniidae. Sie besitzen spiralig aufgewundene mit einer knopfförmigen Struktur endende Fäden (engl. KCT von knob-terminated coiled threats), die sich bei Kontakt mit Wasser aufzwirbeln und das Ei am Grund verankern. Diese KCT s sind nicht gleichmäßig über das Ei verteilt, sondern konzentrieren sich stets auf einen der Pole (Abb. 1). Anzahl, Verteilung und Größe der KCT s können sehr gute diagnostische Unterschiede auch im Artbereich bieten. Im vorliegenden Fall sind sie jedoch zur Diagnose weniger gut als das Exochorion geeignet. Die Eier sind bei allen 207

4 KCT Größenverhältnisse der Granulae verschiedener Arten sind somit vergleichbar. Die vergrößerten Schemata in den figs. 3-5 sind maßstabslos und verdeutlichen relevante Strukturen. Entsprechend der bei den Ephemeroptera keineswegs typischen hühnereiförmigen Form der Eier ist die Tiefenschärfe bei fotographischer Darstellung gering. Das nachfolgende Bild zeigt dies am Beispiel der Exochorionstruktur von Rhithrogena picteti Sowa. Es soll den Vergleich zwischen Zeichnung und mikroskopischen Bild erleichtern. Mikropyle Rhithrogena picteti SOWA 1971 Oberfläche des Eichorion dicht und fast gleichmäßig mit annähernd gleichgroßen, in Aufsicht mehr oder weniger runden Makrogranulae bedeckt. Diese dicht stehend, pflasterartig, Zwischenräume "glatt", fast ohne Mikrogranulae (figs 2, 3a). Bei Seitenansicht Fig. 1) Ei einer Heptageniidae aus DEGRANGE (1960). Oberer Pol mit großen Anheftungsorganen (KCT). Zentral die schlaufenförmige Mikropyle. Rechteck: zentraler randlicher Bereich zur Bestimmung über Exochorionstruktur vgl. Abb Arten etwa x µm groß. Etwa im Äquatorialbereich sind 2-3 schlaufenförmige Strukturen, die sog. Mikropylen, das sind die Eintrittsstellen für die Spermien zu sehen. Das Exochorion ist nicht glatt, sondern mit kleinen warzigen Strukturen versehen, die je nach Größe in der Literatur als Mikro-, Meso- und Makrogranula bezeichnet werden. Die Form und das Arrangement dieser Granulae erweist sich nun als sehr konstantes diagnostisches Merkmal zur Unterscheidung der Arten R. picteti, R. puytoraci und R. semicolorata. 4.2 Eitaxonomie Zur Bestimmung soll das Exochorion etwa im äquatorialen Bereich untersucht werden (Abb. 1: Rechteck). Die Abbildungen 3-5 aus HAYBACH (1998) zeigen die Struktur und Details aus diesem Bereich bei etwa facher Vergrößerung. Diese Abbildungen sind durchgehend im gleichen Maßstab gezeichnet. Die dargestellten Abb. 2) Rhithrogena picteti Ei aus Subimago. Vergrößerung etwa 250 x. Phasenkontrast. Beachte die dicht stehenden großen runden Granulae auf der Oberfläche. (zentraler Rand) erscheinen die Makrogranulae deutlich rund (fig. 3b). Die Makrogranulae sind nicht membranös verbunden. Ökologie: In Quellbächen und Bächen der oberen Forellenregion. Hypokrenon u. Epirhithon. 208

5 Eitaxonomische Untersuchungen an Arten der Rhithrogena semicolorata Untergruppe aus... a b Abb. 3: Rhithrogena picteti. a) Eioberfläche Ausschnitt aus dem zentralen seitlichen Bereich 1000x Beachte die deutlich runden nicht membranös verbundenen Makrogranulae, b) Granulae in Seitenansicht schematisiert Rhithrogena puytoraci SOWA & DEGRANGE 1987 Oberfläche des Eichorion mit einer Vielzahl unterschiedlich großer, jedoch im Vergleich zu R. picteti deutlich kleineren Meso- und Mikrogranulae bedeckt. Die Mesogranulae bilden häufig einen Ring aus zwei bis drei Reihen um die KCT's, welche über die ganze Eioberfläche verstreut sind (Abb. 4a). In Seitenansicht erscheinen die Granulae säulenförmig, höher als breit. Sie sind (das sieht zumindest bei lichtoptischer Betrachung so aus) über eine Art Membran miteinander verbunden, was beim Fokussieren über den Seitenrand deutlich wird (Abb. 4b) Ökologie: In Bächen der oberen und mittleren Forellenregion, Epi- bis Metarhithron Rhithrogena semicolorata (CURTIS 1834) Oberfläche des Eichorion dicht mit einer Vielzahl unterschiedlich großer und unterschiedlich geformter Makro-, Meso- und Mikrogranulae übersäht (Abb. 5). In Aufsicht daher ähnlicher R. puytoraci (Abb. 4) als R. picteti (Abb. 3). Beim Fokussieren über den Seitenrand erscheinen die Makrogranulae deutlich gekrümmt, hakenförmig (Abb. 5b), stets überwiegend in Richtung des Poles, der die kleineren KCT s trägt, gerichtet. Die Granulae sind nicht über eine Membran miteinander verbunden. Ökologie: In Bächen und kleinen Flüssen der mittleren und unteren Forellenregion, Meta- bis Hyporhithron. a b Abb. 4: Rhithrogena puytoraci a) Eioberfläche Ausschnitt aus dem zentralen seitlichen Bereich 1000x Beachte die säulenförmigen, membranös verbundenen ringförmigen Strukturen um die KCT s, 2b Granuale in Seitenansicht, schematisiert 209

6 a b Abb. 5) Rhithrogena semicolorata a) Eioberfläche Ausschnitt aus dem zentralen seitlichen Bereich 1000x. Beachte die hakenförmigen zu einem Pol gerichteten Makrogranulae, b) Granulae in Seitenansicht schematisiert. 5. Danksagung Herrn Dipl.-Biol. Klaus Enting, Mainz und dem Fachbereich Biologie der Johannes- Gutenberg-Universität Mainz habe ich für die Möglichkeit zur Anfertigung der Mikrofotographie zu danken. Special thanks to Craig Macadam (Edinburgh) for improving the English text. 6. Schriftenverzeichnis BAUERNFEIND, E. & HUMPESCH, U. H. (2001): Die Eintagsfliegen Zentraleuropas (Insecta: Ephemeroptera): Bestimmung und Ökologie. 239 S. Wien: Verlag des Naturhistorischen Museums Wien. DEGRANGE, C. (1960): Recherches sur la reproduction des Ephéméroptères.- Travaux du Laboratoire d`hydrobiologie et de Pisciculture de l`universit de Grenoble 50/51: Grenoble. DETTNER, K. & W. PETERS (1999): Lehrbuch der Entomologie 921 S. Gustav Fischer Verlag Stuttgart, Jena, Lübeck, Ulm DOLISY, D. (2001): Les Éphémères du Grand-Duch de Luxemboug : 1. Partie rhithrale des cours d'eau Faunistiques [Ephemeroptera].- Ephemera 2 (1) 2000: Le Chesnay. France. HAYBACH, A. & SCHMIDT, T. (1997): Ein Beitrag zur Kenntnis der Heptageniidae-Fauna im nördlichen Hessen mit einem Nachweis von Rhithrogena germanica Eaton (Ephemeroptera: Heptageniidae).- Lauterbornia 31: Dinkelscherben. HAYBACH, A. (1998): Die Eintagsfliegen (Insecta: Ephemeroptera) von Rheinland-Pfalz - Zoogeographie, Faunistik, Ökologie, Taxonomie und Nomenklatur Unter bes. Berücksichtigung der Familie Heptageniidae und unter Berücksichtigung der übrigen aus Deutschland bekannten Arten. Dissertation Universität Mainz 417 S. + Anhang. (unpubl.) HAYBACH, A. & MALZACHER, P. (2002): Verzeichnis der Eintagsfliegen Deutschlands (Insecta: Ephemeroptera).- Entomologische Zeitschrift 112 (2): Essen. HEINZE, K. (1952): Polyvinyl-Lactophenol-Gemisch als Einbettungsmittel für Blattläuse.- Die Naturwissenschaften 39: Berlin. KLONOWSKA-OLEJNIK, M. (1997): The Use of Egg Morphology in the Taxonomy of Some Species of the Genus Rhithrogena (Ephemeroptera, Heptageniidae). p In: Ephemeroptera & Plecoptera: Biology-Ecology-Systematics, LANDOLT, P. & SARTORI, M. [Eds.] 569 S., Mauron+Tinguely & Lachat SA, Moncor, Fribourg/Switzerland. SOLDÁN, T. & LANDA, V. (1999): A key to the Central European species of the genus Rhithrogena (Ephemeroptera: Heptageniidae). - Klapalekiana 35: SOWA, R. (1971): Sur la taxonomie Rhitrogena semicolorata (CURTIS) et quelques espéces voisines d'europe continentale (Ephemeroptera, Heptageniidae).- Revue Suisse Zool. 77: Genève. SOWA, R. & DEGRANGE, C. (1987): Sur quelques espéces européennes de Rhitrogena du groupe semicolorata (Ephemeroptera, Heptageniidae).- Acta Hydrobiol. 29 (4): Krakow. TOMKA, I. & RASCH, P. (1993): Beitrag zur Kenntnis der europäischen Rhithrogena - Arten (Ephemeroptera, Heptageniidae): R. intermedia METZLER, TOMKA & ZURWERRA, 1987 eine Art der alpestris -Gruppe sowie ergänzende Beschreibungen zu fünf weiteren Rhithrogena - Arten.- Mitteilungen der Schweizerischen Entomologischen Gesellschaft 66: Lausanne. Anschrift des Verfassers: Dr. Arne Haybach, Tannenweg 3, D Mainz. haybach@gmx.de Manuskript eingegangen: